[論文レビュー] Blockchain-enabled Network Sharing for O-RAN.

Lorenza Giupponi, Francesc Wilhelmi|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Software-Defined Networks and 5G参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、モバイル事業者やその他のステークホルダー間でインフラや周波数帯域などのリソースをオークションやマーケットプレイスメカニズムを通じて動的に交換する仕組みを自動化する、ブロックチェーンを活用したオープンRAN（O-RAN）ネットワーク共有のアーキテクチャを提案する。このソリューションは、信頼性、スケーラビリティ、自律性を向上させ、公開リリースされたプラットフォームを用いたシミュレーション結果により、実現可能性とパフォーランスが検証されている。

ABSTRACT

The innovation provided by network virtualization in 5G, together with standardization and openness boosted by the Open Radio Access Network (O-RAN) Alliance, has paved the way to a collaborative future in cellular systems, driven by flexible network sharing. Such advents are expected to attract new players like content providers and verticals, increasing competitiveness in the telecom market. However, scalability and trust issues are expected to arise, given the criticality of ownership traceability and resource exchanging in an open RAN sharing ecosystem. To address that, we propose the integration of Blockchain (BC) technology for enabling mobile operators (OPs) and other players to exchange RAN resources (e.g., infrastructure, spectrum usage) in the form of virtual network functions (VNF) autonomously and dynamically. BC will provide automation, robustness, trustworthiness, and reliability to mobile networks, so that confidence is generated in an open RAN environment. In particular, we define a novel O-RAN-based BC-enabled architecture that allows automating RAN sharing procedures through either auction or marketplace-based mechanisms. The potential advantages of the proposed solution are demonstrated through simulation results. The used simulation platform is openly released.

研究の動機と目的

• コンテンツプロバイダーおよび縦割り産業分野など、多様なプレイヤーの参加が増加する中で生じる、オープンRANエコシステムにおけるスケーラビリティと信頼性の課題に対処する。
• モバイル事業者および第三者との間で、仮想ネットワーク関数（VNF）、インフラ、周波数帯域などのRANリソースを、安全で自動的かつ動的に交換可能にする。
• 分散型で改ざんできないブロックチェーン技術を活用して、リソース共有における所有権の追跡可能性と信頼性を確保する。
• 既存のO-RAN規格およびインターフェースとシームレスに統合できる、O-RANネイティブなブロックチェーンアーキテクチャを設計する。
• 公開可能なシミュレーションプラットフォームを用いて、提案されたソリューションの実現可能性とパフォーランスを実証する。

提案手法

• 改ざん防止の分散型レジストリとしてのブロックチェーン技術をO-RANアーキテクチャに統合し、RANリソースの所有権と取引履歴の追跡を可能にする。
• オークションベースとマーケットプレイスベースの2つの自動リソース交換メカニズムを設計し、RANリソースの動的割り当てを実現する。
• VNFデプロイメントおよび周波数帯域共有をサポートする、新規のO-RAN準拠ブロックチェーンフレームワークを定義する。強力なセキュリティと監査可能性を備える。
• スマートコントラクトを活用して参加者間のルールと合意を自動化し、中央集権的な仲介者への依存を低減する。
• 実際のO-RANネットワークのダイナミクスと複数当事者の相互作用を模倣するシミュレーション環境にシステムを実装する。
• 特にオープンで仮想化されたRANの文脈において、既存のO-RANインターフェースおよび標準化活動と相互運用性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術は、多様なステークホルダー間でのオープンRANリソース共有において、信頼性と追跡可能性をどのように向上させるか？
• RQ2 動的RANリソース割り当てを目的としたO-RANにブロックチェーンを統合した場合のパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ3 オークションベースとマーケットプレイスベースのメカニズムは、RAN共有における効率性と公平性の観点で、どのように比較できるか？
• RQ4 実際の複数事業者および複数縦割り分野のワークロードを想定した状況下で、ブロックチェーンを活用したO-RANアーキテクチャは、効果的にスケーリング可能か？
• RQ5 提案されたソリューションは、オープンRAN環境における自動化をどの程度向上させ、中央集権的制御への依存を低減できるか？

主な発見

• 提案されたブロックチェーンを活用したO-RANアーキテクチャは、オークションおよびマーケットプレイスメカニズムを通じてRANリソース共有を自動化し、人的介入を大幅に削減した。
• シミュレーション結果から、システムは低遅延と高いトランザクションスルーレートを維持しており、リアルタイムのRANリソース割り当てに適していることが示された。
• エンドツーエンドの改ざん不能性により、所有権の追跡が実現され、共有インフラにおける責任の明確化と紛争の低減が可能になった。
• ブロックチェーンの統合により、参加者が多様で異種の環境下にある複数当事者間のオープン環境において、システムのレジリエンスと信頼性が向上した。
• 評価で使用されたシミュレーションプラットフォームは公開リリースされており、学術界および産業界における再現性とさらなる研究を可能にしている。
• 暗号化されたレジストリメカニズムを活用することで、強固なセキュリティと監査可能性を維持したまま、動的VNFデプロイメントおよび周波数帯域共有をサポートするアーキテクチャが実現された。